温度计的前世今生

王聪聪

人类从很久以前就开始探寻测量温度的方法，尽管那时候人们还没有“温度”这个词的概念，但人们会用身体的感觉来定义冷热变化。如今，温度计经历400多年的发展，早已不再局限于环境温度测量和体温测量，而是为我们生活、生产中的各个方面需求提供精确的温度数据，且已形成一个分门别类的科学——温度计量学。

今天，我们就来对温度计发展史做一个简单的梳理。

凭经验感知温度变化——冰瓶、火候

在古代，人们一般用身体的感觉来定义冷热变化。除此之外，古人还发现了许多方式能感知外界环境温度的变化。

早在先秦时期，古人就会利用装水的瓶子来观察温度变化。《吕氏春秋·慎大览·察今》中有这样的说法：“见瓶水之冰，而知天下之寒、鱼鳖之藏也。”意思是在瓶子中装上水，如果水结冰了，就可以知道气温很低，进入寒冬；如果冰融化了，则气温回升。这种瓶子被称为“冰瓶”，可以说是中国最原始的一种温度计。在金属冶炼或烧制陶瓷的过程中，历代工匠都会以火焰颜色来判断炉内温度的高低。

原理：冰瓶是古人利用水在不同温度下的形态变化来推测环境冷热变化的方法，火候则是古人创造的一种高温目测技术。但这都只是经验感知，无法精确测量。

世界上第一支温度计——伽利略气温计

在温度计发明之前，了解病人热度的工具只有手。那时，医学上已经知道病人的病情和他身体的冷热相关，但如果碰巧那天医生也有轻微发热，或是刚刚摸了比较凉的物体，就会出现不准确的结果。所以，伽利略想发明一个可以测量热度的工具。1593年，伽利略最早将空气的热胀冷缩现象应用到温度计的发明中。

原理：当被测的物质（空气）与玻璃泡接触的时候，玻璃管内上方的空气就会因为热胀冷缩而发生体积变化，使有色液柱相应地上升或下降。参照玻璃管上标明的一些数字，就能测出该物质的具体温度。这就是世界上第一支标有刻度的温度计——气体温度计。

主要存在的问题：气体的体积不仅受到温度的影响，还受到大气压的影响。而此时，人们还不知道气压的存在，因此伽利略气温计并不准确，测量误差较大，但伽利略没能解决这个问题。

第一次改进——蛇形温度计问世

1611年，伽利略的学生桑克托留斯在第一支气温计的基础上进行了改进。现在看起来，改进后的温度计非常古怪。他将气温计的直管改成了一个蛇形弯管，将玻璃泡体积缩小，以便塞到病人的嘴巴里。他还在玻璃弯管上面刻了大约110个刻度来指示温度的变化，用于测体温。这就是世界上最早的体温计。

原理：仍然是空气的热胀冷缩，变细、变长的玻璃管可以使测量精确度更高，而弯管更方便使用和读数。

主要存在的问题：仍然没有摆脱大气压的影响，因此测量也不准确；而且，当时还没有出现温度的统一衡量标准。

改进的方向：摆脱大气压的影响（将气体换成液体），更小巧，携带更方便。

第一支液体温度计——从水到酒精的变化

1650年，意大利的费迪南首先选择水做液体温度计，但存在两个问题：一是水的熔沸点决定了以水做的温度计的测量范围较小（0～100℃）；二是水有一個特殊性质，即在4℃时密度最大、体积最小，也就意味着水在0～4℃时是热缩冷胀的“反膨胀”现象，因此在4℃以下测量就不准了，还会将玻璃外壳撑爆。

费迪南尝试了多种液体，最后选择了简单易得的酒精。因为酒精的凝固点要低得多，且热胀冷缩现象很明显。但是，酒精温度计也存在问题：酒精的沸点为78℃，凝固点-117℃（测量范围为-117～78℃），因此酒精温度计虽然能在低温下使用，但是不能测量超过78℃的物体，如开水的温度。

原理：液体的热胀冷缩。

主要存在的问题：测量范围不够大。

改进的方向：使用沸点更大的、热胀冷缩现象明显的液体。

第一支水银温度计——现代温度计的雏形

1659年，法国天文学家布里奥利用水银沸点较高的特性，制作了第一支水银温度计，测量范围为-39～357℃。这样的温度计已具有现代温度计的雏形。

原理：液体的热胀冷缩。

主要存在的问题：有一定的测量范围，下限较高，不适合在较冷的地区使用；水银有挥发性，且有毒性。

现代测温技术——温度计的大发展

随着科技的发展，各种各样的温度计层出不穷，为我们的日常生产和生活提供各种品质的温度量值，比如热电偶温度计、红外测温仪。而这一切都是从伽利略气温计慢慢发展而来的，相信在未来，还会有更多种类的温度计来让我们的生产和生活更加便利。

原理：温度计已经不再依靠热胀冷缩现象，而是由温度变化引起其他量（如电阻等）的变化，再通过数据处理，呈现温度值的变化。